JP2001323825A - 予混合圧縮自着火機関及びその制御方法 - Google Patents

予混合圧縮自着火機関及びその制御方法

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JP2001323825A JP2000141192A JP2000141192A JP2001323825A JP 2001323825 A JP2001323825 A JP 2001323825A JP 2000141192 A JP2000141192 A JP 2000141192A JP 2000141192 A JP2000141192 A JP 2000141192A JP 2001323825 A JP2001323825 A JP 2001323825A
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turbo compound
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Teruhiro Sakurai
井 輝 浩 桜
Tomohito Morimoto
本 智 史 森
Yasuharu Kawabata
端 康 晴 川
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    • F02D41/30Controlling fuel injection
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 始動性が良く、常に好適な状態で運転でき、
エネルギ効率が良い予混合圧縮自着火機関及びその制御
方法を提供する。 【解決手段】 予混合圧縮自着火機関(2)の給気口
(2b)をターボ過給機(4)の給気側タービン(4
a)及び燃料タンク(5)に接続し、予混合圧縮自着火
機関(2)の排気口(2c)をターボ過給機(4)の排
気側タービン(4b)に接続し、ターボ過給機(4)の
駆動軸(4c)をモータ機能及び発電機能を有するター
ボコンパウンド(6)として利用し、ターボ過給機
(4)の給気量を検知する検知器(10)の検知信号を
受けてターボコンパウンド(6)へ機能切替信号を出力
する制御手段(9)を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、予混合圧縮自着火
機関及びその制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の予混合圧縮自着火機関を図8で示
す。図8において、予混合圧縮自着火機関21は、圧縮
自着火機関22の給気口22bをターボ過給機24の給
気側タービン24a及び燃料タンク25に接続し、排気
口22cをターボ過給機24の排気側タービン24bに
接続している。
【0003】この予混合圧縮自着火機関22は、燃料混
合気体を高圧縮比のピストンで圧縮し、自着火させるこ
とにより燃料混合気体を燃焼して動力を取り出してい
る。ここで、予混合圧縮自着火機関22の運転可能な燃
料混合気体は、従来の内燃機関(例えば火花点火式の内
燃機関等)に比べて希薄(燃料リーン或いはエアリッ
チ)であるため、多量の空気の供給が必要である。しか
し、当該空気の量は、従来のターボ過給機24の性能で
は賄いきれないほど多量であるため、図8の予混合自着
火圧縮機関22では、給気量が不足した状態で運転して
しまう場合が多い。そのため、予混合圧縮自着火機関2
2の始動性が悪く、安定した運転が困難であった。ま
た、機関の回転数が非常に高くなり、排気流量が十分多
量となれば、運転に必要な給気量を賄う以上に排気側タ
ービンの回転数も高くなる場合が存在する。その様な場
合、運転に必要な給気量を賄う以上の排気側タービンの
回転エネルギ(換言すれば、排気ガスの余分なエネル
ギ)を有効利用したいという要請が存在する。しかし、
図8で示す様なターボ過給機は発電機能を有していない
ために、排気ガスの余分なエネルギは利用されること無
く、浪費されていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した様
な従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、始
動性が良く、常に好適な状態で運転でき、エネルギ効率
が良い予混合圧縮自着火機関及びその制御方法を提供す
ることを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の予混合圧縮自着
火機関は、予混合圧縮自着火機関の給気口に連通する給
気配管に介装されたターボ過給機の給気側タービンと、
予混合圧縮自着火機関の排気口と連通する排気配管に介
装されたターボ過給機の排気側タービンと、ターボ過給
機の駆動軸と接続され且つモータ機能及び発電機能を有
するターボコンパウンドとして利用し、予混合圧縮自着
火機関の運転状態を検知する検知手段と、該検知手段の
検知信号に基いて前記ターボコンパウンドの機能を決定
する制御信号を出力する制御手段、とを設けている。本
発明の実施に際して、予混合圧縮自着火機関の運転状態
を検知する検知手段は、給気量(本明細書では「排気エ
ネルギ」を含む概念の文言である)の不足、過剰、適性
を判断する手段(例えば、ターボ過給機の給気量を検知
する検知器)であるのが好ましい。具体的には、予混合
圧縮自着火機関で駆動される発電機の発電量を検知する
出力電力センサ、予混合圧縮自着火機関のシリンダ内の
圧力を検知する圧力センサ(筒内圧センサ)、予混合圧
縮自着火機関の給気口に設けた給気流量センサ等を設け
ることが出来る。
【0006】また本発明の予混合圧縮自着火機関の制御
方法は、ターボ過給機を有する予混合圧縮自着火機関の
運転状態を検知する運転状態検知工程と、ターボ過給機
の駆動軸に接続され且つモータ機能及び発電機能を有す
るターボコンパウンドの機能を前記運転状態検知工程で
検知された運転状態に基いて決定するターボコンパウン
ド機能決定工程とを有しており、該ターボコンパウンド
機能決定工程では、給気量が不足している運転状態の場
合には前記ターボコンパウンドをモータとして機能せし
め、給気量が過剰な運転状態の場合には前記ターボコン
パウンドを発電機として機能せしめる様な制御を行うこ
とを特徴としている。
【0007】係る構成を具備する本発明によれば、前記
検知手段により、始動時やその他の運転中に給気量が不
足している状態が検知された場合には、前記ターボコン
パウンドをモータとして機能せしめ、給気側タービンの
回転数を上昇せしめる。給気側タービンの回転数が上昇
すれば、給気量が増加し、給気量不足に伴う問題が解消
する。一方、排気量が多く、排気側タービン及び給気側
タービンの回転数及び給気量が過剰となった場合には、
前記ターボコンパウンドを発電機として機能せしめれ
ば、排気タービンの当該過剰な回転は発電気であるター
ボコンパウンドを回転して、発電することにより消費さ
れる。その結果、従来はそのまま排出されていた排気ガ
スのエネルギを、有効利用することが出来るのである。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照にして、本
発明の実施の形態を説明する。図1において符号1で示
す機関は、予混合圧縮自着火機関2により発電機3を駆
動するようにしたものである。予混合圧縮自着火機関2
の出力軸2aを発電機3に接続し、予混合圧縮自着火機
関2の給気口2bをターボ過給機4の給気側タービン4
a及び燃料タンク5に接続し、排気口2cをターボ過給
機4の排気側タービン4bに接続し、ターボ過給機4の
駆動軸4cをターボコンパウンド6に接続している。
【0009】予混合圧縮自着火機関2は、ターボ過給機
4の給気側タービン4aから送られてくる空気と燃料タ
ンク5から送られてくる燃料との燃料混合気体を給気口
2bから吸引し、この燃料混合気体を圧縮して燃焼し、
排気口2cから排ガスをターボ過給機4の排気側タービ
ン4bに排出してターボ過給機4を駆動する。そして、
予混合圧縮自着火機関2の出力軸2aに接続された発電
機3を駆動するようになっている。
【0010】なお、燃料タンク5内の燃料としては、天
然ガス等の気体燃料が好適であるが、石油等の液体燃料
でも実施できる。また、予混合圧縮自着火機関2で駆動
される機器は、コージェネレーションシステムにおける
発電機が好適である。但し、機関2は、自動車または工
作機械等の駆動用にも適用できる。
【0011】発電機3は予混合圧縮自着火機関2により
駆動され、発電機3で発電された電力は、電力線7を介
して図示しない消電機器に送られるようになっている。
ターボ過給機4の給気側タービン4a及び排気側タービ
ン4bは連結軸4dで接続され、ターボ過給機4の駆動
軸4cはターボコンパウンド6に接続されている。給気
側タービン4aは、吸引口4eから吸い込んだ空気及び
燃料タンク5から送られてくる燃料が混合された燃料混
合気体を予混合圧縮自着火機関2へ送る。排気側タービ
ン4bは予混合圧縮自着火機関2から送られてくる排気
ガスにより回転し、給気側タービン4a及びターボコン
パウンド6を駆動する。また、排気側タービン4bはタ
ーボコンパウンド6により回転し、給気側タービン4a
を駆動するようになっている。
【0012】ターボコンパウンド6はモータ機能及び発
電機能を有し、後述する制御手段から機能切替信号を受
けて機能が切り替えられるようになっている。そして、
モータ機能では電力線8から送られてくる電力により駆
動してターボ過給機4を回転し、発電機能ではターボ過
給機4により回転して発電し、発電された電力を電力線
8を介して図示しない消電機器に送るようになってい
る。
【0013】そして、予混合圧縮自着火機関1にはター
ボ過給機4の給気量を検知する検知器(検知手段)と、
該検知器から検知信号を受けてターボコンパウンド6を
制御する制御手段9が設けられている。
【0014】ここで、前記検知器は、予混合圧縮自着火
機関2の運転状態を検知するためのものである。そして
図示の実施形態においては、予混合圧縮自着火機関2の
運転状態を検知するため、ターボ過給機4の給気量の過
不足を判断して信号を出力しており、図1の実施形態で
は、発電機3の発電量を検知する出力電力センサ10が
用いられている。制御手段9の記憶部9aには、図2に
示すようなデータが記憶されている。図2において、例
えばターボ過給機4の給気量100が適正給気量の中心
であるとすると、80以下が給気不足(X)、120以
上が給気過剰(Y)、80〜120が適正給気(Z)で
ある。
【0015】そして、制御手段9の制御部9bは出力電
力センサ10の検知信号と記憶部9aに記憶されている
データからターボ過給機4の給気量の過不足を判断し、
給気不足(図2のX)と判断するとターボコンパウンド
6へモータ機能切替信号を出力し、給気過剰(図2の
Y)と判断すると発電機能切換信号を出力し、適正給気
(図2のZ)と判断するとターボコンパウンド6への機
能切替信号を消勢するようになっている。
【0016】次に、図3のフロー図に基づいて予混合圧
縮自着火機関1の制御方法を説明する。予混合圧縮自着
火機関1を始動すると、制御手段9の制御部9bは検知
器の検知信号、即ち出力電力センサ10の検知信号を読
み取り(ST1)、出力電力センサ10の検知信号と記
憶部9aに記憶されているデータからターボ過給機4の
給気量の過不足を判断する(ST2)。当然、始動時は
給気不足(図2のXの部分)でありターボコンパウンド
6へモータ機能切替信号を出力する(ST3)。
【0017】制御手段9からモータ機能切替信号を受け
たターボコンパウンド6は、モータ機能に切り替わり、
電力線8から送られてくる電力により回転し、ターボ過
給機4を駆動する。このようにターボコンパウンド6を
モータ機能に切り替え、電力線8から送られてくる電力
により回転してターボ過給機4を駆動するので、予混合
圧縮自着火機関2に充分な燃料混合気体が供給され、予
混合圧縮自着火機関1の始動性が向上して始動時から運
転が安定する。
【0018】予混合圧縮自着火機関1の運転中は制御手
段9の制御部9bは出力電力センサ10の検知信号を常
に読み取り(ST1)、出力電力センサ10の検知信号
と記憶部9aに記憶されているデータからターボ過給機
4の給気量の過不足を判断する(ST2)。そして、上
述した始動時や、予混合圧縮自着火機関1の負荷の増大
時、即ち発電機3で発電された電力の消費が増大して高
速運転になる時等に、給気量が不足している(図2のX
の部分)と判断されると、ターボコンパウンド6へモー
タ機能切替信号を出力し(ST3)、そのモータ機能に
より給気側タービン4aを回転して、給気量を増大せし
める。予混合圧縮自着火機関1の負荷の減少、即ち発電
機3で発電された電力の消費が減少して低速運転になる
時等の様に、給気過剰(図2のYの部分)と判断される
場合には、ターボコンパウンド6へ発電機能切換信号を
出力し(ST4)、ターボコンパウンド6を発電機とし
て機能させる。その結果、給気過剰で排気タービン4B
の回転数が過剰であっても、その回転力はターボコンパ
ウンド6における発電に有効利用される。
【0019】予混合圧縮自着火機関1の負荷が安定して
おり、発電機3で発電された電力の消費も安定して、給
気量が適正(図3のZの部分)であると判断されると、
ターボコンパウンド6への機能切替信号を消勢する(S
T5)。そして、制御手段9から機能切替信号の消勢を
受けたターボコンパウンド6は、モータ機能または発電
機能を停止する。
【0020】上述したように、給気不足の場合にはター
ボコンパウンド6がモータ機能に切り替わってターボ過
給機4を駆動するので、予混合圧縮自着火機関1の始動
性が向上し、高速運転への追従性が向上する。また、給
気過剰の場合にはターボコンパウンド6が発電機能に切
り替わってターボ過給機4からエネルギを得て発電する
ので、低速運転への追従性が向上し、エネルギ効率が良
くなる。このように、予混合圧縮自着火機関1が適正給
気で駆動されるように制御されるので、給気不足又は給
気過剰による不完全燃焼を起こすことがなくなる。以上
のように予混合圧縮自着火機関1は制御され、予混合圧
縮自着火機関1が停止されて制御が終わる(ST6)。
【0021】図4は、本発明の第二実施形態の予混合圧
縮自着火機関を示すもので、上述した第一実施形態と同
一部分には同一符号を付し、簡略して説明する。この実
施形態では、予混合圧縮自着火機関1のターボ過給機4
の給気量の過不足を判断する信号を出力する検知器とし
て、予混合圧縮自着火機関2のシリンダ内の圧力を検知
する圧力センサ11が用いられている。そして、制御手
段9は、圧力センサ11から検知信号を受けてターボコ
ンパウンド6を制御するようになっている。
【0022】次に、図5のフロー図に基づいて、第二の
実施の形態の予混合圧縮自着火機関1の制御方法を説明
する。この実施形態においても、運転状態を給気量によ
り判断している。すなわち、制御手段9は圧力センサ1
1の検知信号を読み取り(ST21)、ターボ過給機4
の給気量の過不足を判断し(ST22)、給気不足と判
断するとターボコンパウンド6へモータ機能切替信号を
出力し(ST23)、給気過剰と判断すると発電機能切
換信号を出力し(ST24)、適正給気であると判断す
ると機能切替信号を消勢する(ST25)。
【0023】そして、制御手段9からモータ機能切替信
号を受けたターボコンパウンド6は、モータ機能に切り
替わり、電力線8から送られてくる電力により回転し、
ターボ過給機4を駆動する。また、制御手段9から発電
機能切替信号を受けたターボコンパウンド6は、発電機
能に切り替わり、ターボ過給機4で駆動されて発電し、
電力を電力線8から送電する。さらに、制御手段9から
機能切替信号の消勢を受けたターボコンパウンド6は、
モータ機能または発電機能を停止する。以上のように、
第二の実施の形態の予混合圧縮自着火機関1は制御さ
れ、予混合圧縮自着火機関1が停止されて制御が終わる
(ST26)。
【0024】図6は、本発明の第三実施形態の予混合圧
縮自着火機関を示している。上述した第一実施形態と同
一部分には同一符号を付し、簡略して説明する。この実
施形態でも、運転状態を給気量により判定している。そ
して、ターボ過給機4の給気量の過不足を判断する信号
を出力する検知器として、予混合圧縮自着火機関2の給
気口2bに設けた給気量センサ12が用いられている。
そして、制御手段9は、給気量センサ12から検知信号
を受けてターボコンパウンド6を制御するようになって
いる。
【0025】次に、図7のフロー図に基づいて、第三実
施形態の予混合圧縮自着火機関1の制御方法を説明す
る。制御手段9は給気量センサ12の検知信号を読み取
り(ST31)、ターボ過給機4の給気量の過不足を判
断し(ST32)、給気不足と判断するとターボコンパ
ウンド6へモータ機能切替信号を出力し(ST33)、
給気過剰と判断すると発電機能切換信号を出力し(ST
34)、適正給気であると判断すると機能切替信号を消
勢する(ST35)。
【0026】そして、制御手段9からモータ機能切替信
号を受けたターボコンパウンド6は、モータ機能に切り
替わり、電力線8から送られてくる電力により回転し、
ターボ過給機4を駆動する。また、制御手段9から発電
機能切替信号を受けたターボコンパウンド6は、発電機
能に切り替わり、ターボ過給機4で駆動されて発電し、
電力を電力線8から送電する。さらに、制御手段9から
機能切替信号の消勢を受けたターボコンパウンド6は、
モータ機能または発電機能を停止する。以上のように第
三実施形態の予混合圧縮自着火機関1は制御され、予混
合圧縮自着火機関1が停止されて制御が終わる(ST3
6)。
【0027】
【発明の効果】本発明の予混合圧縮自着火機関及びその
制御方法は、以下の効果を有する。(1) 給気不足の
場合にはターボコンパウンドがモータ機能に切り替わっ
てターボ過給機を駆動するので、予混合圧縮自着火機関
の始動性が向上し、高出力運転への追従性が向上する。
(2) 給気過剰の場合にはターボコンパウンドが発電
機能に切り替わってターボ過給機からエネルギを得るの
で、エネルギ効率の良い予混合圧縮自着火機関となる。
(3) 予混合圧縮自着火機関が適正給気で駆動される
ように制御されるので、給気不足又は給気過剰による異
常燃焼および不完全燃焼を起こすことがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の予混合圧縮自着火機関の構成図。
【図2】制御手段の記憶部に記憶されているデータの概
念図。
【図3】予混合圧縮自着火機関の制御のフロー図。
【図4】第二の実施の形態の予混合圧縮自着火機関の構
成図。
【図5】第二の実施の形態の予混合圧縮自着火機関の制
御のフロー図。
【図6】第三の実施の形態の予混合圧縮自着火機関の構
成図。
【図7】第三の実施の形態の予混合圧縮自着火機関の制
御のフロー図。
【図8】従来の予混合圧縮自着火機関の構成図。
【符号の説明】
1・・・予混合圧縮自着火機関 2・・・予混合圧縮自着火機関 3・・・発電機 4・・・ターボ過給機 5・・・燃料タンク 6・・・ターボコンパウンド 7、8・・・電力線 9・・・制御手段 10・・・出力電力センサ(検知器) 11・・・圧力センサ(検知器) 12・・・給気量センサ(検知器)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02D 19/10 F02D 19/10 3G301 29/06 29/06 H 41/02 351 41/02 351 380 380D 45/00 364 45/00 364E (72)発明者 川 端 康 晴 東京都港区海岸一丁目5番20号 東京瓦斯 株式会社内 Fターム(参考) 3G005 DA02 DA07 EA20 FA04 FA05 JA22 JA45 JB26 3G023 AA01 AA02 AA08 AA17 AB05 AC02 AC07 AF03 3G084 AA01 BA08 CA01 DA02 DA05 EA04 EA11 EB06 FA00 FA12 FA21 3G092 AA02 AA18 AB03 AB06 DB03 DB04 EA08 EA11 EC09 FA10 FA24 FA31 GA01 HA15X HA15Z HC01Z HF01X 3G093 AA16 AB01 BA15 BA19 CA01 DA00 DA02 EA14 EB08 EC02 FA11 3G301 HA02 HA11 HA26 HA27 JA02 JA03 KA01 LC03 NA08 NC01 PA00Z PA16Z PC01Z

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 予混合圧縮自着火機関の給気口に連通す
    る給気配管に介装されたターボ過給機の給気側タービン
    と、予混合圧縮自着火機関の排気口と連通する排気配管
    に介装されたターボ過給機の排気側タービンと、ターボ
    過給機の駆動軸と接続され且つモータ機能及び発電機能
    を有するターボコンパウンドとして利用し、予混合圧縮
    自着火機関の運転状態を検知する検知手段と、該検知手
    段の検知信号に基いて前記ターボコンパウンドの機能を
    決定する制御信号を出力する制御手段、とを設けたこと
    を特徴とする予混合圧縮自着火機関。
  2. 【請求項2】 ターボ過給機を有する予混合圧縮自着火
    機関の運転状態を検知する運転状態検知工程と、ターボ
    過給機の駆動軸に接続され且つモータ機能及び発電機能
    を有するターボコンパウンドの機能を前記運転状態検知
    工程で検知された運転状態に基いて決定するターボコン
    パウンド機能決定工程とを有しており、該ターボコンパ
    ウンド機能決定工程では、給気量が不足している運転状
    態の場合には前記ターボコンパウンドをモータとして機
    能せしめ、給気量が過剰な運転状態の場合には前記ター
    ボコンパウンドを発電機として機能せしめる様な制御を
    行うことを特徴とする予混合圧縮自着火機関の制御方
    法。
JP2000141192A 2000-05-15 2000-05-15 予混合圧縮自着火機関及びその制御方法 Pending JP2001323825A (ja)

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